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Le monde des particules. - PowerPoint PPT Presentation
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« What I am going to tell you about is what we teach our physics students in the third or fourth year of graduate school... It is my task to convince you not to turn away because you don't understand it. You see my physics students don't understand it... That is because I don't understand it. Nobody does. »
Richard P. Feynman, The Strange Theory of Light and Matter
Plan
1. Plongée au cœur de la matière
2. De quoi le monde est-il fait ?
Les particules
3. Comment tout cela tient-il ensemble ?
Les interactions
4. Perspectives…
La quête du fondamental
• Depuis la nuit des temps, l’homme cherche à appréhender les briques « fondamentales » de son univers
• Fondamental = ???
Structure des nucléons
10-15
m
Proton :2 quarks up
1 quark down
Neutron :1 quark up
2 quarks down
Interaction forte
Caractéristiques d’une particule
• Masse m– Energie de masse E=mc2
• Temps de vie τ– Particules stables / instables– Largeur de désintégration Γ=ħ/τ
Caractéristiques d’une particule
Remarque : – L’unité d’énergie en physique des particules
est l’électron-volt:
1 eV = 1,6.10-19 J– On utilise également
le KeV, le MeV, le GeV et le TeV– 100 TeV = Energie dépensée par un
moustique pour s’élever de 1m!
Caractéristiques d’une particule
• Spin S– Lié à la rotation de la particule sur elle-même– Fermions : S=1/2, 3/2, 5/2, …
Principe de Pauli :
Deux fermions ne peuvent se trouver dans le même état quantique
– Bosons : S=0, 1, 2, …
Particules et antiparticules
A toute particule est associée une antiparticule
• Masse, temps de vie, spin identiques
• Nombres quantiques opposés
Leptons
6 leptons :• électron• muon (τ = 2.10-6 s)• tau (τ = 3.10-13 s)• 3 neutrinos
+ 6 anti-leptons
Quarks
6 quarks :• up et down• charm et strange• top et bottom
× 3 couleurs R,B,V
+ 6 anti-quarks
× 3 anti-couleurs R,B,V
Quarks
Ils ne s’observent jamais seuls mais s’associent pour former des particules blanches : les hadrons
• Baryon = association de trois quarks
• Anti-baryon = association de trois anti-quarks• Méson = association d’un quark et d’un anti-quark• Pentaquarks ???
Quantité de mouvement et énergie
• Relativité restreinte :– Quantité de mouvement
– Energie
Existence possible de particules de masse nulle!
Interactions fondamentales
• Interaction :
Echange d’énergie et de quantité de mouvement entre deux fermions via un boson de jauge
Diagramme de Feynman
Interaction électromagnétique
• Elle réunit dans un même formalisme– Les phénomènes électriques– Les phénomènes magnétiques– L’optique
• Elle est responsable de la cohésion de l’atome
Interaction électromagnétique
• Au niveau fondamental :Echange de photons entre particules chargées
Portée infinie
e-
e-e-
e-
γ
Interaction forte
• Elle est responsable de la cohésion – des nucléons dans le noyau atomique
– des quarks et anti-quarks dans les hadrons
Interaction forte
• Au niveau fondamental :Echange de gluons entre particules colorées
Portée limitée par le confinement
u (R)
d (R)d (B)
u (B)
g (RB)
Interaction faible
• Au niveau fondamental : Echange de W-, W+ et Z0
Portée limitée par la masse des bosons de jauge
νe
ud
e-
W+
νe
dd
νe
Z0
Le boson de Higgs
• Un boson de jauge doit avoir une masse nulle, or les bosons W-, W+ et Z0 sont massifs
• Le problème peut être contourné grâce au
« mécanisme de Higgs »• Ce mécanisme de Higgs entraîne l’existence d’une
particule mystérieuse : le boson de Higgs. • Cette particule reste introuvable…
Les mystères non résolus
• Pourquoi les particules d’une même « famille » ont-elles des masses si différentes ?
Pourquoi existe-t-il trois « générations » dans chaque « famille » ?
• Les trois interactions fondamentales sont-elles réellement différentes ?
S’unifient-elles à très haute énergie ?• Comment inclure la gravitation dans ce schéma ?
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